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数字音频的关键参数

2021.03.19

模拟音频经过采样、量化和编码成为数字音频,其质量的好坏与声音的采样率、量化比特率、压缩方式和声道数等性能参数有关。

1、采样率

模拟信号变成数字信号的第一步就是采样。采样的密度就是采样率,用频军(Hz)表示。CD的取样频率为44.1 kHz,即1 s的波形上要均匀取样41 100次。

采样率越高,采样得到的样值用线段连起来就越接近原始的模拟波形,但编码后的信号就相应增多。现代抽样理论证明,抽样率只要为信号最高频率的2倍,就可由抽样后的信号无失真地恢复成原始模拟信号。人类听觉的最高频率为20kHz,所以40kHz以上的采样率就已足够。早期的数字音频中CD取44.1kHz,数字磁带DAT取48kHz。新的数字音频DVD最高采样率高达192kHz,即96kHz以下的频率都能被重放出来。

2、量化位数

示量化位数也称量化精度,指用来描述每个采样点样值的二进制位数。例如,8位量化位数表示每个采样值可以用28即256个不同的量化值之一来表示,而16位量化位数表示每个采样值可以用216即65536个不同的量化值之一来表示。 量化位数越高,量化值的层次就分得越细,量化误差越小,音频质量越好,但数据量也成倍上升。每增加一个比特,数据量就翻一翻。常用的量化位数有8位、12位和16位。

数字音频处理
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3、压缩方式

音频数据在存储和传输时是否采用压缩以及采用的压缩方式都会影响到数字音频的质量,不采用压缩则数据量较大。采用的压缩方式主要分为有损压缩和无损压缩两类。

所谓无损压缩格式,是利用数据的统计冗余进行压缩,不丢失任何信息的压缩方式,压缩后数据量大大减少,经解压可完全恢复原始数据而不引起任何失真,但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制,一般为2: 1到5: 1,压缩率不高。无损压缩对音频质量没有任何影响。经常使用的无损压缩方法有Shannon-Fano编码、Huffman 编码、游程( Run-length)编码、LZW( Lempel-Ziv- Welch)编码和算术编码等。总而言之,无损压缩格式就是能在不牺牲任何音频信号的前提下,减少音频文件体积的格式,它100%地保存了原始音频信号,音质高,且不受信号源的影响。

有损压缩是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性,允许压缩过程中损失一定 的信息;虽然不能完全恢复原始数据,但是所损失的部分对理解原始图像或声波的影响缩小,从而换来大得多的压缩比。有损压缩广泛应用于语音、图像和视频数据的压缩,音频能够在没有察觉质量下降的情况下实现10:1的压缩比。

在多媒体应用中,常见的有损压缩方法有:PCM(脉冲编码调制)、预测编码、变换编码插值和外推法、矢量量化和子带编码等,混合编码是近年来广泛采用的方法。Mp3,divX,Xvid ,jpeg ,rm, rmvb, wma , wmv等都是有损压缩。

有损压缩格式由于其需要丢失一部分人耳不敏感的信息,所以即使音质再好,也只能是无限接近于原声CD,而非无损压缩的真正CD的水准。而且由于有损压缩算法的局限性,在压缩交响乐等动态范围较大的音乐时,其音质表现差强人意。而无损压缩格式则不存在这样的问题。

数字音频调音台
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4、声道数

声道数是指所使用的声音通道的个数,它表明声音记录产生的波形的个数。只有一个声道称为单声道,两个声道称为双声道,也称立体声。声道数越多,人耳听起来感觉越为丰满,但占用的存储空间较大,立体声是单声道的2倍。DVD支撑的杜比AC-3提供5.1声道的环绕声,分别是2个前置音箱、2个后置音箱、1个中置环绕和1个重低音炮,这5个声道相互独立,其中"0 .1"声道是一个专门设计的超低音声道,这声道可以产 生额响范20-120 Hz的超低音。

5、数据速率

数据速 率也称比特率,是每秒声音或图像需要的数据比特量,单位为biv/s或bps,也称传输速率。数据速率可用下列公式计算得到:

数据速率=采样频率x量化位数x声道数( bit/s)

例如,不经压缩的CD声音数据流的数据速率为44. 1x103x16x2=1.411 2(Mbit/s);对模拟立体声进行PCM编码,采样频率为22. 05 kHz,8 bit 量化的数据速率22.05x103 x8x2=0.352 8( Mbit/s) ,若存储时间为1 min,则存储容量为0.3528x103 x60÷8=2.523(MB),在此,未考虑其他处理或控制用的比特量。

数据经压缩处理后,同样1 s的声音或图像的数据比特量就会减少,存储时占用的介质可以少一些,传输时通道的速率要求也可以低些。如果采用无损压缩,当然压缩率越大越好。若是无损压缩,光看数码率的大小很难判断声音质量的好坏。如果同一音频,数码率高的会比数码率低的质量好,因为高比特率音频中压缩掉的信息少;如果是音质相同的压缩算法,数码率较小的编码方法比数码率大的要好,其压缩算法更先进。


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